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外摆线


EpicycloidDiagram
Epicycloid
Epicycloid animations

外摆线是由半径为 b上一点 P 在半径为 a外部滚动时所描绘的路径。因此,外摆线是 外旋轮线,其中 h=b。外摆线由参数方程给出

x=(a+b)cosphi-bcos((a+b)/bphi)
(1)
y=(a+b)sinphi-bsin((a+b)/bphi).
(2)

可以通过计算导出极坐标方程

x^2=(a+b)^2cos^2phi-2b(a+b)cosphicos((a+b)/bphi)+b^2cos^2((a+b)/bphi)
(3)
y^2=(a+b)^2sin^2phi-2b(a+b)sinphisin((a+b)/bphi)+b^2sin^2((a+b)/bphi),
(4)

因此

 r^2=x^2+y^2=(a+b)^2+b^2-2b(a+b){cos[(a/b+1)phi]cosphi+sin[(a/b+1)phi]sinphi}.
(5)

但是

 cosalphacosbeta+sinalphasinbeta=cos(alpha-beta),
(6)

因此

r^2=(a+b)^2+b^2-2b(a+b)cos[(a/b+1)phi-phi]
(7)
=(a+b)^2+b^2-2b(a+b)cos(a/bphi).
(8)

请注意,phi 是这里的参数,不是极角。从中心开始的极角是

 tantheta=y/x=((a+b)sinphi-bsin((a+b)/bphi))/((a+b)cosphi-bcos((a+b)/bphi)).
(9)

为了在外摆线中得到 n尖点b=a/n,因为这样 nb 的旋转会将边缘上的点带回到其起始位置。

r^2=a^2[(1+1/n)^2+(1/n)^2-2(1/n)(1+1/n)cos(nphi)]
(10)
=a^2[1+2/n+1/(n^2)+1/(n^2)-(2/n)((n+1)/n)cos(nphi)]
(11)
=a^2[(n^2+2n+2)/(n^2)-(2(n+1))/(n^2)cos(nphi)]
(12)
=(a^2)/(n^2)[(n^2+2n+2)-2(n+1)cos(nphi)],
(13)

因此

tantheta=(a((n+1)/n)sinphi-a/nsin[(n+1)phi])/(a((n+1)/n)cosphi-a/ncos[(n+1)phi])
(14)
=((n+1)sinphi-sin[(n+1)phi])/((n+1)cosphi-cos[(n+1)phi]).
(15)

具有一个尖点的外摆线称为心脏线,具有两个尖点的外摆线称为肾脏线,具有五个尖点的外摆线称为毛茛线

EpicycloidConstruction

外摆线也可以通过从直径开始构造,并沿圆周以等弧长的一系列步长偏移一端,同时沿圆周n+1 倍大的步长偏移另一端。在围绕一周后,会产生 n 尖点外摆线的包络线,如上图所示(Madachy 1979)。

外摆线具有挠率

 tau=0
(16)

并满足

 (s^2)/(a^2)+(rho^2)/(b^2)=1,
(17)

其中 rho曲率半径 (1/kappa)。


另请参见

心脏线, 环面, 摆线, 外摆线渐屈线, 外摆线渐伸线, 外摆线踏瓣曲线, 外旋轮线, 内摆线, 肾脏线, 毛茛线

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参考文献

Beyer, W. H. CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 217, 1987.Bogomolny, A. "Cycloids." http://www.cut-the-knot.org/pythagoras/cycloids.shtml.Lawrence, J. D. A Catalog of Special Plane Curves. New York: Dover, pp. 160-164 and 169, 1972.Lemaire, J. Hypocycloïdes et epicycloïdes. Paris: Albert Blanchard, 1967.MacTutor History of Mathematics Archive. "Epicycloid." http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Curves/Epicycloid.html.Madachy, J. S. Madachy's Mathematical Recreations. New York: Dover, pp. 219-225, 1979.Smith, D. E. History of Mathematics, Vol. 2: Special Topics of Elementary Mathematics. New York: Dover, p. 328, 1958.Wagon, S. Mathematica in Action. New York: W. H. Freeman, pp. 50-52, 1991.Yates, R. C. "Epi- and Hypo-Cycloids." A Handbook on Curves and Their Properties. Ann Arbor, MI: J. W. Edwards, pp. 81-85, 1952.

以此引用

Weisstein, Eric W. "外摆线。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/Epicycloid.html

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